JP2008118017A - プラズマ処理方法および処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理方法において、プラズマ放電を継続しながらステップ切替えを行う場合、プラズマ処理条件の切替え時におけるプラズマ不安定を防止する。
【解決手段】プラズマ処理室と、プラズマ発生用の高周波電源と、該プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機とを備えたプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、予め処理条件切替え後のプラズマ処理条件を決定し（手順１）、切替え後の処理条件でテスト放電して自動整合機で反射波が低減した時点の整合素子の位置を記録し（手順２）、プラズマ処理条件切替え時に自動整合機を予め記録した整合素子の位置に移動させる（手順３）。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、高品質なプラズマ処理を行えるプラズマ処理装置に関する。

従来技術を用いたプラズマ処理装置では、プラズマ処理を時間的に区切り、それぞれに最適な処理条件を設定することが多い。例えば、プラズマエッチング装置において、エッチング処理する被処理基板上の膜が多層膜で構成される場合があり、各膜種に応じた処理条件を順次、切り替えてプラズマ処理を行うことがある。以下、こうしたプラズマ処理条件の切り替えをステップ切替えと呼ぶ。

図２に、プラズマ放電を継続しながらステップ切替えを行う場合の装置状態をモニタした結果を示す。この例は、プラズマのインピーダンス変化が小さくステップ切り替えに問題を生じない場合である。モニタ値として、プラズマ発生用高周波電力の進行波電力、高周波反射電力、プラズマ発光強度、および自動整合機の整合素子位置を取った。図７の上の図にプラズマ発生用高周波電力の進行波電力、高周波反射電力、プラズマ発光強度のモニタ値を、下の図に自動整合機の整合素子の位置のモニタ値を示す。プラズマ発生用高周波電力は、高周波電源から自動整合機を介して処理室に配置されたアンテナに供給される。自動整合機は、３個の整合素子の組合せで構成されている。プラズマ処理条件は、後述のコイル電流値のみを切り替え、プラズマ発生用高周波電力は変化させていない。ステップの切替えは、時刻ゼロで行った。図２に示すように、ステップ切替えによりプラズマ発光強度が若干低下している他、プラズマのインピーダンスが変化して反射電力がわずかに増加している。プラズマインピーダンス変化に対応して、反射波を抑制するために自動整合機の整合素子がそれぞれ動作している。

上記の時間的に区切った各プラズマ処理条件を、プラズマ放電を継続しながら切り替える場合、切替えの直後にプラズマ密度が極端に低下する等プラズマが不安定となる場合があった。一般にプラズマの発生には高周波電力を用いることが多い。プラズマ放電中にプラズマ処理条件を切り替えると、プラズマ密度などの特性が変化し、これに伴い、高周波に対するプラズマのインピーダンスが変化する。プラズマのインピーダンス変動が大きいと、プラズマ発生に用いる高周波の反射波が増加し、プラズマに吸収される電力が低下する。通常はプラズマ発生用高周波の伝送経路に自動整合機を用いることが多く、反射波を常に極小に抑えているが、プラズマの変化が時間的に急激であると、自動整合機の整合動作が追随できず、反射波を抑制しきれない場合が起きる。反射波が増大すると、プラズマ吸収電力が低下して、プラズマ密度が低下することになる。プラズマ密度の低下が著しい場合には、プラズマの維持が困難で消失する場合も生じる。

図３に、切替えの直後にプラズマ密度が低下しプラズマインピーダンスが変化した場合の装置状態をモニタした例を示す。時刻“０”にてプラズマ処理条件を切り替えた。モニタ値は、図２と同様である。またプラズマ処理条件は後述のコイル電流値のみを切り替え、プラズマ発生用高周波電力は変化させていない。プラズマ処理条件の切替えに伴い、プラズマ発光強度が低下し、反射波の増大、進行波の減少が観測された。実験に用いた高周波電源は、過大な反射波が検出されると、電源保護のため出力を抑制する機能を有しており、図３に示す進行波の減少はこの電源保護機能が働いた結果である。反射波を抑制するために自動整合機の整合素子が動作しているが、短時間では反射波の抑制、電源保護のための出力抑制機能の完全解除には至っていない。電源保護のための出力抑制機能は、プラズマ処理条件変更時のプラズマ密度低下を助長する結果となっている。自動整合機は、機械的に整合素子を駆動することで整合動作を行うことが多い。そのため、整合動作が比較的遅く、高速のインピーダンス変化に追随できない場合がある。

図３に示すステップ切替え時のプラズマ発光強度の不安定は、プラズマ処理条件の切替えが比較的高速に行えるのに対し、自動整合機の動作が前述のように比較的低速であることが多く、処理条件の切替えに追従できないことが原因である。ステップ切替えに伴い負荷のインピーダンスが比較的高速に変化するが、自動整合機が追従できないため、反射波が発生して負荷に吸収される電力が減少することで切り替え時の不安定が生じる。以下に数式を用いて定量的に説明する。

プラズマ発生用の高周波電源が自動整合機を介して負荷である処理室に接続されている場合を考える。自動整合機の入力ポートでの高周波の反射係数Γは下記（１）式で表される。

上記（１）式において、Ｚ_Ｌは自動整合機および処理室からなる負荷インピーダンスであり、Ｚ_０は負荷に接続された導波管の特性インピーダンスである。処理室内にはプラズマが発生するので、処理条件により負荷インピーダンスＺ_Ｌが変化する。また、プラズマに吸収される高周波電力は、入射波電力Ｐ_ｆおよび反射波電力Ｐ_ｒを用いて、下記（２）式で表される。

反射係数の２乗は、入射した電力と反射した電力の比であるから、プラズマに吸収される電力ＰはΓを用いて、下記（３）式である。

高周波電力、ガス種、圧力、静磁界分布などからなるプラズマ処理条件から別の条件への移行を以下ではステップ切替えと記す。ステップ切替えの直前では、自動整合機がインピーダンスの整合を取り、理想的には下記（４）式に示すようになっており反射波が抑制されている。

ここから、ステップ切替えが実行されプラズマインピーダンスが変化し、前述の負荷インピーダンスがＺ_Ｌ（＝Ｚ_０）からＺ_１になったと仮定すると、このときの反射係数は、下記（５）式となる。

負荷インピーダンスの変化（Ｚ_０−Ｚ_１）が大きいほど反射係数が大きくなり、プラズマに吸収される電力は小さくなる。このプラズマに吸収される電力がプラズマを維持するのに必要な最低限度を下回るとプラズマは消失してしまう。

半導体装置の配線層をドライエッチングする方法において、ブレークスルー工程からメインエッチング工程への移行時またはメインエッチング工程からオーバエッチング工程への移行時に、真空引きせずに連続放電を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この例では、工程の移行時に真空引きを行わずに連続放電を行うが、各工程に用いるガス系が異なる場合には、放電を安定させるために段階的にガス流を変化させる工程を少なくとも１つ以上挿入することが必要となる。

また、エッチングガスとポジションガスを用いたプラズマエッチングにおいて、エッチングガスとでポジションガスの切り替えとプラズマの発生電力のオン−オフを同期させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、エッチング工程の切替え時に、プラズマを継続させるための配慮はなされていない。
特開２００２−３４３７９８号公報 特開平２−１０５４１３号公報

前述のように、プラズマ発生用にプラズマ処理室に投入される高周波電力は、通常、自動整合機を介してプラズマ処理室に投入されることが多い。自動整合機でインピーダンス不整合によって生じる反射波を抑制して、所定の高周波電力をプラズマに消費させることができる。しかし、自動整合機の整合動作は整合素子を機械的に駆動して行うことが多く、整合動作に秒オーダーの時間が必要となることが多い。整合動作が完了するまでの時間は所定の高周波電力をプラズマに消費させることができておらず、プラズマ処理条件を最適に制御する上で問題となる場合があった。例えば、プラズマを維持したままプラズマ処理条件を切り替える場合に、処理条件切り替えに伴う負荷インピーダンス変化に応じて高周波の反射波が生じ、一時的にプラズマの密度が低下する場合があった。密度の低下が著しい場合にはプラズマを維持できなくなる場合もあった。

また、プラズマ処理のパラメータのうち、例えば、処理室の圧力は処理室に流すガスの流量や処理室温度、処理室の排気速度により左右される。通常は、処理室圧力を圧力計によりモニタし、処理室の排気速度を調整するためのコンダクタンス可変バルブを調整して圧力を制御することが多い。コンダクタンス可変バルブは、前述の自動整合機と同様、機械的動作を伴う場合が多く、処理室圧力制御に秒オーダーの比較的長い時間を要する場合が多い。そのためステップ切替え時に過渡的に所定の圧力に制御しきれない場合が生じ、高精度なプロセス制御に問題となる場合がある。

上記問題に鑑み、本発明は、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置において、プラズマ放電を継続しながらステップ切替えを行う場合、プラズマ処理条件の切替え時におけるプラズマ不安定を防止することを目的とする。さらに、本発明は、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置において、プラズマ処理条件の切替え時におけるプラズマの不安定を防止することにより、被処理基板への異物付着を抑制することによる低異物化を達成すること、プラズマ処理特性を高精度に最適化することを可能とする。また、本発明は、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置において、プラズマ処理条件の切替えを高速に行うことを可能とし、プラズマ処理全体に必要な時間を短縮することを目的とする。

上記プラズマ処理条件を切り替える場合のプラズマ密度の低下を防止するには、自動整合機の整合動作時間を短縮することが有効である。整合時間短縮の一方法として、ステップ切替え後の整合条件を求めるためのテスト放電を事前に実施し、その結果に基づいてステップ切替え直後の整合機の初期設定を変更すればよい。予め求めておいた整合条件に対応した整合機の初期設定を用いることで、整合動作が高速化され、プラズマ密度低下を防止できる。

またステップ切替え時のプラズマ密度の低下を防止する他の方法として、中間的な処理条件を間に挿入することで過渡的に生じる反射を軽減し、プラズマ密度の低下を防止することができる。

上記課題を解決するために、本発明は、プラズマ処理室と、該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極と、前記プラズマ処理室にプラズマ処理用のガスを所定流量供給するためのガス供給装置と、前記プラズマ処理室を排気する排気装置と、プラズマ発生用の高周波電源と、該プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機と、前記ガス供給装置および前記排気装置を制御して前記プラズマ処理室の圧力を制御する機構とを備えたプラズマ処理装置を用い前記被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、前記被処理基板は多層膜からなり、各膜種に応じてプラズマ処理条件をステップ的に切り替えるプラズマ処理方法であって、該プラズマ処理条件を、プラズマ処理条件切替え時にプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定をプラズマ処理条件切替え後のプラズマインピーダンスに対応して反射電力を低減するように制御する。

本発明は、上記プラズマ処理方法において、前記反射電力の低減は、予めプラズマ処理条件切替え後のプラズマインピーダンスに対応して反射電力を低減できる自動整合機の初期設定値を得ておき、プラズマ処理条件切替え時に、前記予め得た自動整合機の初期設定値とすることにより、反射電力を低減する。さらに、本発明は、上記プラズマ処理方法において、前記反射電力の低減は、プラズマ処理条件切替え時にプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減するプラズマ処理条件を取得してプラズマ処理条件切替え後のプラズマインピーダンスに対応して反射電力を低減する。

また、本発明は、上記プラズマ処理方法において、前記ステップ的切り替えは、プラズマ処理条件のステップ切り替えを段階的に行い、プラズマ処理条件切替直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を低減する。

上記課題を解決するために、本発明は、プラズマ処理室と、該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極と、前記プラズマ処理室にプラズマ処理用のガスを所定流量供給するためのガス供給装置と、前記プラズマ処理室を排気する排気装置と、プラズマ発生用の高周波電源と、該プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機と、前記ガス供給装置および前記排気装置を制御して前記プラズマ処理室の圧力を制御する機構とを備え前記被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、前記被処理基板は多層膜からなり、各膜種に応じてプラズマ処理条件をステップ的に切り替えるプラズマ処理装置であって、該プラズマ処理条件を、プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定により、プラズマ処理条件切替直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力の抑制を制御する手段を具備する。

本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記制御手段は、予め求めたプラズマ処理条件切替え直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を抑制可能なプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定をプラズマ処理条件切替え時に自動設定機に設定する機能を有する。さらに、本発明は、前記制御手段は、プラズマ処理条件切替え直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を抑制可能なプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定を自動的に求める機能を有する。

本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記ステップ的切り替えは、プラズマ処理条件のステップ切り替えを段階的に行い、プラズマ処理条件切替直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を低減する手段を有する。

本発明により、プラズマ処理装置において、プラズマ処理条件切替え時のプラズマの不安定を防止することができる。プラズマ不安定の防止により、被処理基板への異物付着を抑制することによる低異物化、およびプラズマ処理特性を高精度に最適化することが可能となる。またプラズマ処理条件切替えを高速に行うことができるので、プラズマ処理全体に必要な時間を短縮できる効果もある。

［実施例１］本発明を用いた第１の実施例としてプラズマエッチング装置を説明する。図１に、本実施例で用いたプラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置の一例の概略図を示す。プラズマ処理装置であるプラズマエッチング装置は、処理室１０と、アンテナ部の円盤状アンテナ１１と、シャワープレート１２と、誘電体窓１３と、静磁界の発生装置１４と、真空排気装置１５と、ガス供給源１６と、ガス導入路１７と、基板電極２１と、ＲＦバイアス電源２２と、ＲＦバイアス自動整合機２３と、高周波電源３１と、自動整合機３２と、同軸線路３３と、自動整合機制御装置３４とを備えている。自動整合機制御装置３４は、整合パラメータテーブル３４１を有している。基板電極２１上には、被処理基板５０が載置保持される。

自動整合機制御装置３４は、後述する本発明のプラズマ処理方法を適用するにあたって、プラズマ処理条件の変更時に、プラズマのインピーダンスの変化に対応して高周波電力の反射電力を低減させるように自動整合機の動作を制御する装置である。自動整合機制御装置３４の、整合パラメータテーブル３４１は、プラズマ処理条件の変更時にプラズマのインピーダンス変化に対応して高周波電力の反射電力を低減させるよう自動整合機３２を制御するに必要な整合パラメータを記述したテーブルである。プラズマ条件変更時に、自動整合機制御装置３４が整合パラメータテーブル３４１の内容を読み出して高周波の反射電力が低減するように自動整合機３２を制御する。

高周波電源３１により発生した高周波電力は、自動整合機３２を介して同軸線路３３からアンテナ部の円盤状アンテナ１１に伝送される。円盤状アンテナ１１の処理室１０側には誘電体窓１３、シャワープレート１２があり、これらを介して、高周波電力が処理室１０に投入される。処理室１０の周囲には静磁界の発生装置１４があり、処理室１０内に静磁界を加えることができる。静磁界中の電子と電磁波の相互作用として電子サイクロトロン共鳴現象が知られている。電子サイクロトロン共鳴現象により高周波電力が電子に効率よく吸収されるため、プラズマの発生が容易になり、一般にプラズマ発生が困難な低圧域や、低電力域でもプラズマ処理が可能となるなど、プラズマ処理条件が広く取れる利点がある。静磁界の分布を変化させることでプラズマの拡散を制御したり、プラズマの損失を低減することができる。したがって、このプラズマ処理装置では、プラズマ処理の均一性を高めることができる。静磁界の発生装置１４として多段の電磁石を用いた。各電磁石に通電する電流を変えることで、静磁界の分布を制御することができる。

処理室１０内には、被処理基板５０を保持するための基板電極２１が設けられている。基板電極２１にはＲＦバイアス自動整合機２３を介してＲＦバイアス電源２２が設けられ、被処理基板５０にバイアス電位を与えることができる。

処理室１０には、真空排気装置１５を備えた真空排気系とガス供給源１６およびガス導入路１７を備えた処理ガスの供給系が接続され、処理室内に所定のガスを所定の流量供給し、処理に適した圧力に保持することができる。シャワープレート１２には多数の微細なガス供給孔が設けられ、ガス供給源１６からの処理ガスをシャワー状に処理室内に供給することができる。

図１に示すプラズマエッチング装置には図示しない制御装置が接続されており、高周波電力やガス流量、ＲＦバイアス電力、処理室の圧力等をモニタし、制御することができる。また、該制御装置は、自動整合機やＲＦバイアス自動整合機の整合パラメータもモニタすることが可能である。後述するプラズマ処理条件の切替えは該制御装置と前記自動整合機制御装置３４により、予めユーザが定めておいた手順に従い自動的に行なうことができる。上記予めユーザが定めておいた手順をレシピと呼ぶ。

一般にプラズマエッチング装置では、エッチング処理中にプラズマ処理条件を切り替えることが多い。例えば、エッチング処理の初期には、被エッチング材料の除去を高速に行う処理条件を用い、エッチング処理の終了間際には、下地の削れ防止を優先した処理条件に切り替えて、エッチング処理の高速化と下地の削れ防止の両立を狙うことが多い。また、被エッチング材料が多層膜である場合、各膜に応じて最適化したプラズマ処理条件をそれぞれ適用してエッチング処理を行う場合もある。

被処理基板５０に異物が付着すると、プラズマ処理の品質を低下させることになる。例えば、プラズマエッチング処理の場合、異物が被処理基板表面を被覆した部分のエッチングを阻害する等の問題を生じる。プラズマ放電中に異物は帯電してプラズマ中（プラズマシース中）に捕獲され、被処理基板上に落下しにくいことが知られている。そのため、前述のプラズマ処理条件を切り替える際にもプラズマは維持しておくことが異物低減の観点から望ましい。

プラズマ処理条件を変更すると、プラズマの密度等の特性が変化し、これに対応してプラズマのインピーダンスが変化することになる。プラズマのインピーダンスにあわせて高周波電力の反射波を抑制するよう自動整合機が動作する。しかし、自動整合機の動作は、機械的な素子を駆動して行われる場合が多く、整合動作が遅いためプラズマ処理条件の変更に対して追従できない場合がある。このため、プラズマ処理条件変更の際に反射波が生じてプラズマ吸収電力が低下するため、プラズマ密度が低下して、プラズマの維持が困難となる場合があった。

上記課題に対応して、図４に示す手順でプラズマ処理条件変更時の反射波抑制を行うことができる。最初に切替前後のプラズマ処理条件を決定した（手順１）後、プラズマ処理条件切替後の条件でテスト放電を行い、反射波を抑制した状態での自動整合機の設定値を記録しておく（手順２）。次に、プラズマ処理条件切替えを行う際に、切替えと同時に自動整合機の設定値も予め記録しておいた設定値に切り替える（手順３）。

この手順によれば、予め求めておいた整合条件を切替えと同時に用いることができ、整合条件探索に要する時間および反射波増大に伴いプラズマが不安定な状態になっている時間を短縮することができる。これにより、高周波反射波の発生を最短に抑制でき、プラズマの維持が容易になる。プラズマ処理条件の切替えはプラズマ処理装置に接続された制御装置により、予めユーザが定めた手順に従い自動的に行なうことができる。また、図４に示す手順のうちテスト放電に関する部分を自動化することができる。即ち、手順１の切替え前後のプラズマ処理条件決定の後、手順２の適切な整合素子位置初期設定値の決定、手順３のうち該整合素子初期設定位置をレシピに反映させる作業をまとめて自動化することができる。

この実施例では、プラズマ処理条件の切替えが１度の場合を例に説明したが、切替えを複数回行なう場合も切替えの都度同様の手順を繰り返せばよい。以上、プラズマ発生用に高周波電源を用いた実施例を説明したが、他のプラズマ源としてマイクロ波プラズマ源、平行平板タイプのプラズマ源、誘導結合型プラズマ源等を用いた場合についても、本発明は同様に適用可能である。

［実施例２］本発明を用いた第２の実施例として、プラズマエッチング装置を説明する。第２の実施例では、第１の実施例と共通する部分の説明を省略する。第２の実施例では、切替え前のプラズマ処理条件（条件Ａ）と切替え後の処理条件（条件Ｂ）の間に切替え時のプラズマの不安定防止のためのプラズマ処理条件（条件Ｃ）を挿入する。条件Ｃは、単一条件または複数の条件を時間的に連続に組み合わせたものであっても良い。

切替え時のプラズマの不安定防止のためのプラズマ処理条件（条件Ｃ）によってプラズマの消失を防止することが可能となる。プラズマ処理条件の切替えを複数回にわたり段階的に行うことで、各段階での負荷インピーダンスの変化は小さくなり、各段階で発生する反射波の強度を小さくすることができる。この反射電力の分割は、ステップ切替え中の各段階における反射電力の大きさが等しくなるように制御することが望ましい。

図５および図６は前述の投入電力の分割を示した模式図で、ともにステップ切替えの前後は同一の条件である。図５は、前述したように一度に大きな変更を行ったためインピーダンスの大きな変化が起こったもので、ステップ切替え動作の後に自動整合機３２の動作によって電力の反射が抑えられていくことで投入電力が回復する様子を示している。この例では、ステップ切替え時の実効的な投入電力がプラズマを維持するのに必要な限度を下回り、プラズマが消失する。

一方、図６は、ステップ切替えを複数に分割して段階的に行い、電力の反射を複数回に分割したものである。各段階での負荷インピーダンスの変化は小さく、投入電力の低下はプラズマの維持に必要な最低限を下回らず、プラズマは消失しない。

前述のステップ切替え中の自動整合機の動作は段階的なものであるほか、連続的なものであってもよく、連続的なステップ切替え動作は、反射電力の分割数を無限に多くしたものと等価である。

すなわち、図２、図３に示した例では、図示を省略したコイルの電流は、ステップ切替え時に段階的に（瞬間的に）変化させたが、連続的なステップ切替え動作では、コイル電流を徐々に変化させ（例えば、時間的に線形に変化させ）てもよい。図７では、コイルの電流を多数のステップにわたって徐々に変化させているが、これを例えば、直線に均す制御を行うことによって、連続的なステップ切り替えとすることができる。

前述したように条件Ａから条件Ｂへのステップ切替えでは、プラズマインピーダンスの変化によって反射電力が増し、それに伴い投入される電力がプラズマを維持するのに必要な最低限度以下になりプラズマの失火が起こる場合がある。しかし、条件Ａ〜条件Ｃおよび条件Ｃから条件Ｂへのステップ切替えではプラズマを維持し続けることが可能である場合がある。このようなプラズマの失火を生じない整合素子の設定値や高周波電力、磁界強度などの条件Ｃを予め探索し、ステップ切替えの途中にこの条件Ｃを通過するように指定することで、すなわちステップ切替えの経路のその通過すべき点を指定し、段階的なステップ切替えを行うことで、プラズマを維持しながらステップ切替えを行うことが可能になる。

前述した、ステップ切替え経路の通過すべき点は複数であっても良い。

前述した、ステップ切替え経路の通過すべき点は、前述した高周波電力や磁界強度などについてそれぞれ独立に制御されても良い。すなわち、第１の通過点としては高周波電力だけを変更し、第２通過点としては磁界強度のみを変更するような経路を指定しても良い。

図７は、本発明の第２の実施例を示す実験結果であって、静磁界を２秒刻み１０段階に分けて変えた場合のプラズマ処理装置の動作の様子である。各段階でのインピーダンスの変化は小さく、２秒間の放電時間の間に整合機が整合動作を完了し、反射波をほぼ“０”にすることができるため、プラズマに投入される電力は一定に維持されていることがわかる。

［実施例３］本発明の第３の実施例について図８から図１０を用いて説明する。第３の実施例は、第２の実施例で用いた条件Ｃの設定方法を改良したものであり、実施例２と共通する部分の説明を省略する。

中間的な条件Ｃの設定方法の一例を、以下に示す。一般にプラズマ処理条件を条件Ａから条件Ｂに切替えると、プラズマのインピーダンスが変化し自動整合機がインピーダンス変化に追従できないため反射波が生じる。前述のように反射波が大きくなり、プラズマ維持に必要な電力を下回ると、プラズマが消失するなど条件の切替えに問題が生じる。プラズマの消失を引き起こさない条件Ｃを条件Ａと条件Ｂの間に挿入することで、このような問題を回避することが可能であり、以下に条件Ｃの設定方法について述べる。

ステップ切替えに要する時間が、自動整合機の整合に要する時間に比べて充分小さいとし、各ステップは自動整合機の整合に要する時間に比べて充分長く維持されるものとする。つまりステップ切替え直前には、自動整合機は反射波を充分抑制しており、切替え直後に自動整合機は切替え直前の状態を維持しているものとする。負荷のインピーダンスは、自動整合機の整合動作に比べて高速に切り替わり、切替え直後にはインピーダンスの不整合が生じる。この場合、［課題を解決するための手段］に記載した定式化により、負荷のインピーダンスを用いて、ステップ切替え時に生じる反射波の大きさ等を算出することができる。または実験的に反射波の大きさ等を測定しても良い。

図８に、自動整合機と負荷を回路モデル化した例を示す。自動整合機を、π型回路を用いて図８のようにモデル化し、プラズマを含めた処理室の負荷をＲ_ｐ＋ｊＸ_ｐとした。ただし、ｊは虚数単位である。さらに、自動整合機と処理室を結ぶ線路の特性インピーダンスをＺ_０とする。

自動整合機の入力ポートから負荷側を見たインピーダンスは、ステップ切替え直前は整合が取れていることから特性インピーダンスと同じＺ_０となっている。ステップ切替え直後の自動整合機入力ポートから見たインピーダンスＺ_０´は、自動整合機の特性は切替え直前と同じ状態を維持し、負荷インピーダンスがＲ_ｐ´＋ｊＸ_ｐ´に変化したとすると、図８のモデルを用いて、下記（６）式で示される。

ただし、上記（６）式において、Ｒｐｐ´＋ｊＸｐｐ´は、下記（７）式である。

このとき自動整合機の入力ポートでの反射係数Γは、下記（８）式となり、反射波の大きさを計算できる。

即ち、負荷インピーダンスのデータを用いて、任意の条件間でステップ切替える場合に生じる反射波の大きさを計算することができる。

図９に、反射係数の実験値と計算値の比較を行った結果を示す。実験は、ある処理条件からステップ切替えを行い、ステップ切替え直後の反射係数を測定した。ステップ切替えとして静磁界のみを変化させた。計算に用いた負荷のインピーダンスは、ステップ切替え後の整合が取れた状態での値を測定して用いた。図９に示すように、各測定点は、ほぼ直線に並び、実験値と計算値は高い相関を示し、計算によってステップ切替え直後の反射等について評価できることを確認した。

上記の例では、自動整合機の回路モデルとして図８に示すπ型と呼ばれるモデルを用いたが、他のモデル（例えばＴ型、Γ型等）を用いてモデル化しても良い。

図１０を用いて、ある条件Ａから条件Ｂにステップ切替えを行う場合、中間的な条件を挿入することによりステップ切替え時のプラズマ不安定を抑制する条件Ｃを求める方法の例を説明する。プラズマ処理の条件は、例えば処理圧力や高周波電力等のいくつかのパラメータからなる。簡単のためプラズマ処理パラメータ１、プラズマ処理パラメータ２の２つのパラメータから条件が構成されている場合を例に取り説明する。パラメータが２つなので、条件Ａや条件Ｂ等は、図１０に示す平面状の点として表示できる。

条件Ａから任意の条件Ｄにステップ切替えを行った場合の反射電力が一定となる場合、条件Ｄはある軌跡を描き、線として平面状に表すことができる。同様に任意の条件Ｄ´から条件Ｂにステップ切替えを行った場合の、反射電力が一定となる軌跡も線として平面状に描くことができる。条件Ａから条件Ｄへのステップ切替え時の反射電力が小さいときは、条件Ｄと条件Ａの距離は近いが、切替え時の反射電力が大きくなると条件Ｄと条件Ａの距離は離れる。条件Ｄの軌跡は、ステップ切替え時の反射電力に応じて、平面上に等高線を描くことになる。同様に条件Ｄ´の軌跡も反射電力に応じた別の等高線を描く。条件Ａから条件Ｄへのステップ切替え時に生じる反射電力と条件Ｄ´から条件Ｂへのステップ切替え時に生じる反射電力が等しくなる場合を考えると、条件Ｄの軌跡と条件Ｄ´の軌跡が交差または接する点が存在する場合、両者のステップ切替え時に生じる反射波が最小値となる点を条件Ｃとして用いることにする。条件Ａから条件Ｃさらに条件Ｂとステップ切替えを行う場合、各切替え時に生じる反射波は極小となる。

上記の反射電力の算出は、負荷インピーダンスに基づく計算を用いても良いし、実験的に求めても良い。また、上記説明では、プラズマ処理条件を決めるパラメータが２つの場合を例に取り説明したが、パラメータ数が増えた場合も同様の手順で条件Ｃを求めることができる。

上記に条件Ａから条件Ｂにステップ切替えを行う場合に、間に一つの条件Ｃを挿入する場合を説明したが、条件Ａと条件Ｃのステップ切替え、条件Ｃと条件Ｂのステップ切替えに同様の手順を適用すれば、さらに段階を細かく分割することができる。一つの条件Ｃの挿入だけではステップ切替え時のプラズマ不安定を抑制できない場合は、さらに細かく段階を分割すればよい。このような手順を繰り返すことでステップ間を事実上任意に細かく分割することができる。ステップ切替えの段階を細かく分割することで、ステップ切替え時の反射波を抑制し、より円滑にステップ切替えを行うことができる。

［実施例４］本発明の第４の実施例を、図１１を用いて説明する。第４の実施例では、第３の実施例で用いた条件Ｃの設定方法を改良したものであり、第３の実施例と共通する部分の説明を省略する。

段階的にステップ切替えを行う場合に挿入する条件を算出するための一方法を、第３の実施例で説明したが、以下で他の方法の一例を、図１１を用いて説明する。プラズマ処理条件の数値（例えば圧力、高周波電力等）を並べたベクトルを定義し、条件ベクトルと呼ぶことにする。条件Ａに相当する条件ベクトルをＡｖ（下記式においてはＡの上に→を付して示す）、条件Ｂに相当する条件ベクトルをＢｖ（記式においてはＢの上に→を付して示す）とする。条件ベクトルＡｖ、Ｂｖを用いて、下記（９）式および（１０）式のベクトルを定義する。

ｔ＝０、ｔ＝１でそれぞれ、上記（１０）式は、下記（１１）式および（１２）式となり、パラメータｔを０から１の間の値とすることで、条件ベクトルｘｖ（ｔ）（下記式においてはｘ（ｔ）の上に→を付して示す）により条件Ａ、条件Ｂの中間的な条件を表現することができる。

１回のステップ切替えで過渡的な反射波が生じるが、その際のプラズマに消費される電力の下限（Ｐｃｍｉｎとする）を定め以下の手順に従い、条件Ａと条件Ｂの間に挿入するステップを決める。ただしＰｃｍｉｎはステップ切替え時のプラズマ不安定が起きない大きさに設定することとする。反射電力の算出には前述の負荷インピーダンスに基づく計算を用いても良いし、実験的に求めても良い。

（１）ｔ＝０からｔ_１のステップ切替えで、消費される電力がＰｃｍｉｎとなるｔ_１＞０なるｔ_１を求める。

（２）同様にｔ＝ｔ_１からｔ_２のステップ切替えで、消費される電力がＰｃｍｉｎとなるｔ_２＞ｔ_１なるｔ_２を求める。

（３）上記（１）（２）を繰り返してｔ_ｉ（ｉ＝１、２、３…）が１を超える直前まで手順を続ける。

（４）各ｔ_ｉ（ｉ＝１、２、３…）に相当する条件ｘｖ（ｔｉ）（ｉ＝１、２、３、．．．）をそれぞれ条件Ａと条件Ｂの間に挿入する。

条件Ａと条件Ｂの間で段階的に行われるステップ切替えで、消費される電力がＰｃｍｉｎ以上に維持されるのでステップ切替えに伴うプラズマ不安定が生じない。

［実施例５］本発明の第５の実施例を説明する。第５の実施例は、第１の実施例とステップ切替え時の自動整合機の動作が異なる他はほぼ同様であり、共通する部分の説明を省略する。

実施例２から実施例４では、ステップ切替え時のプラズマ処理パラメータの切り替え速度は自動整合機の整合速度に対して充分早いとして、説明してきたが、自動整合機の整合速度に合わせてプラズマ処理パラメータの切り替え速度を低下させても良い。パラメータの切替え速度の低下によって、自動整合機の動作が追随できる速さに負荷インピーダンスの時間変化を抑えることができるので、過渡的な反射波増大を防止して、ステップ切替え時のプラズマ不安定を抑制することができる。プラズマ処理パラメータの切替え速度の低下によるプラズマ不安定の抑制は、単独で用いても良いし、上記で説明した中間的なステップを追加する方法と組み合わせても良い。

［実施例６］本発明の第６の実施例を説明する。第６の実施例は、第３の実施例と類似しており、実施例３と共通する部分の説明を省略する。条件Ａから最終的に条件Ｂにプラズマ処理条件を切り替える場合、条件Ａと条件Ｂの間に所定の条件を挿入することでステップ切替えを円滑に行う。各ステップ間でインピーダンス変化による反射波が生じるが、これに伴なうプラズマ不安定を防止する。この実施例では、まず、各ステップ切替え時に許容できるプラズマ消費電力の下限値（Ｐｃｍｉｎとする）を設定する。ただし、Ｐｃｍｉｎは、ステップ切替え時のプラズマ不安定が起きない大きさに設定することとする。以下、下記の手順で、条件Ａから条件Ｂへの経路を探索する。

（１）パラメータ空間において、条件Ａから１回のステップ切替えで到達できる領域（Ω_１とする）を求める。

（２）領域Ω_１内に条件Ｂが含まれるか判定し、含まれていれば（４）に進む。含まれていなければ領域Ω_１からさらに１回のステップ切替えで到達できる領域（Ω_２とする）を求める。

（３）上記（２）を条件Ｂが含まれるまで繰り返し、Ｎ回のステップ切替えで到達できる領域（Ω_Ｎとする、ただしＮは自然数）に初めて条件Ｂが含まれるものとする。

（４）条件Ｂは領域Ω_Ｎ内に入っており、Ｎ回のステップ切替えで、条件Ａから到達できるが、経路は一つではなく、最適な経路を探索する。条件ＡからＮ回のステップ切替えで条件Ｂに到達可能な経路が存在する領域（Ω_Ｎ´とする）は領域Ω_Ｎ内に含まれている。Ω_Ｎ´内を探索し最適な経路を求める。

上記の（４）で最適な経路を探索する基準は下記の通りとする。

（１）自動整合機の動作が最も少なくて済む経路
整合素子が機械的に動作する形式の自動整合機の場合、整合素子の移動距離または移動距離と相関のある値で評価する。複数の整合素子を用いている場合は、各整合素子の移動距離または移動距離と相関のある値の総和、または自乗和、最大値、ノルムで評価する。移動距離が短いことは自動整合機の動作時間が短いことにもつながる。

（２）自動整合機の整合困難な領域を避ける経路
自動整合機はあらゆる負荷インピーダンスにも対応できることが望ましいが、耐圧等の関係から整合が困難な領域が存在する。設定した経路が整合困難な領域を通過することが無い様、領域Ω_Ｎ´から、整合困難な領域を除いて探索を行う。

上記各実施例では有磁場高周波放電を利用したエッチング装置を例に説明したが、他の放電（容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。また上記各実施例では、エッチング装置について述べたが、プラズマ処理を行うその他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置等についても同様の作用効果がある。

実施例１に示す方法は、実施例２から実施例６に示す各方法と組み合わせて用いてもよく、同様の効果がある。

本発明を用いたエッチング装置の構造の一例を説明する概略図。 望ましいプラズマ処理条件切替え前後の高周波電力、整合素子位置等の時間依存性を説明する図。 従来のプラズマ処理条件切替え前後の高周波電力、整合素子位置等の時間依存性を説明する図。 本発明に係るプラズマ処理条件切替え時の自動整合機動作を高速化するための手順を説明する図。 従来のステップ切替え前後の投入電力の変化を説明する図。 本発明に係るステップ切替え前後の投入電力の変化を説明する図。 本発明に係るステップ切替えを段階的に行った場合の高周波電力等の推移を説明する図。 自動整合機と負荷の回路モデルを示す回路図。 反射係数の計算値と実験値の相関を示すグラフ。 本発明のステップ切替え時に安定化のために挿入するステップの設定方法を説明する図。 本発明のステップ切替え時に安定化のために挿入するステップの設定方法を説明する図。

符号の説明

１０：処理室
１１：円盤状アンテナ
１２：シャワープレート
１３：誘電体窓
１４：静磁界の発生装置
１５：真空排気装置
１６：ガス供給装置
１７：ガス導入路
２１：基板電極
２２：ＲＦバイアス電源
２３：ＲＦバイアス自動整合機
３１：高周波電源
３２：高周波自動整合機
３３：同軸線路
３４：自動整合機制御装置
３４１：整合パラメータテーブル
５０：被処理基板

Claims (8)

1. プラズマ処理室と、該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極と、前記プラズマ処理室にプラズマ処理用のガスを所定流量供給するためのガス供給装置と、前記プラズマ処理室を排気する排気装置と、プラズマ発生用の高周波電源と、該プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機と、前記ガス供給装置および前記排気装置を制御して前記プラズマ処理室の圧力を制御する機構とを備えたプラズマ処理装置を用い前記被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、
   前記被処理基板は多層膜からなり、各膜種に応じてプラズマ処理条件をステップ的に切り替えるプラズマ処理方法であって、
   該プラズマ処理条件を、プラズマ処理条件切替え時にプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定をプラズマ処理条件切替え後のプラズマインピーダンスに対応して反射電力を低減するように制御する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記反射電力の低減は、予めプラズマ処理条件切替え後のプラズマインピーダンスに対応して反射電力を低減できる自動整合機の初期設定値を得ておき、プラズマ処理条件切替え時に、前記予め得た自動整合機の初期設定値とすることにより、反射電力を低減する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記反射電力の低減は、プラズマ処理条件切替え時にプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減するプラズマ処理条件を取得してプラズマ処理条件切替え後のプラズマインピーダンスに対応して反射電力を低減する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記ステップ的切り替えは、プラズマ処理条件のステップ切り替えを段階的に行い、プラズマ処理条件切替直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を低減する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
5. プラズマ処理室と、該プラズマ処理室内に被処理基板を戴置するための基板電極と、前記プラズマ処理室にプラズマ処理用のガスを所定流量供給するためのガス供給装置と、前記プラズマ処理室を排気する排気装置と、プラズマ発生用の高周波電源と、該プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機と、前記ガス供給装置および前記排気装置を制御して前記プラズマ処理室の圧力を制御する機構とを備え前記被処理基板を処理するプラズマ処理装置において、
   前記被処理基板は多層膜からなり、各膜種に応じてプラズマ処理条件をステップ的に切り替えるプラズマ処理装置であって、
   該プラズマ処理条件を、プラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定により、プラズマ処理条件切替直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力の抑制を制御する手段を具備する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御手段は、予め求めたプラズマ処理条件切替え直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を抑制可能なプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定をプラズマ処理条件切替え時に自動設定機に設定する機能を有する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項５記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御手段は、プラズマ処理条件切替え直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を抑制可能なプラズマ発生用の高周波電源の反射電力を自動的に低減する自動整合機の初期設定を自動的に求める機能を有する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項５記載のプラズマ処理装置において、
   前記ステップ的切り替えは、プラズマ処理条件のステップ切り替えを段階的に行い、プラズマ処理条件切替直後のプラズマ発生用高周波電源の反射電力を低減する手段を有する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。

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